Это было слишком хорошо, чтобы быть правдой. Два года назад измерение показало, что субатомная частица, называемая W-бозоном, тяжелее, чем предсказывала теория. Это расхождение породило надежды на то, что это признак новых частиц и сил, выходящих за рамки стандартной модели физиков, 40-летней теории, которая с раздражающей надежностью объяснила все, что наблюдалось в ускорителях частиц, хотя она и не включает гравитацию. Теперь новое измерение показывает, что W настолько массивен, как и ожидалось, что портит тайну.
Предыдущий, более заманчивый результат был получен в ходе эксперимента, известного как Коллайдер-детектор в Фермилабе (CDF), который проводился в Национальной ускорительной лаборатории Ферми с 1984 по 2012 год, питаемый ныне несуществующим коллайдером Теватрон. Новый результат получен в ходе гораздо более крупного и лучшего детектора, известного как Компактный мюонный соленоид (CMS) на Большом адронном коллайдере (БАК). Он был представлен в докладе в Европейской лаборатории физики элементарных частиц ЦЕРН, где находится БАК.
«Прежде всего, респект CMS», — говорит Дэвид Тобак, физик-теоретик из Техасского университета A&M и представитель команды CDF. «Это невероятно сложное измерение». Джесси Шелтон, теоретик из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне, добавляет: «Я не думаю, что есть еще какие-либо веские причины рассматривать объяснения эксперимента CDF, выходящие за рамки стандартной модели».
W-бозон переносит слабую ядерную силу, участвующую в определенных ядерных взаимодействиях, так же как фотон переносит электромагнитную силу. Но в отличие от безмассового фотона, W должен иметь массу почти в 86 раз больше, чем протон, согласно стандартной модели. Точная масса W зависит от других частиц, порхающих в вакууме вокруг него и из него. Отклонение от предсказания стандартной модели было бы признаком новых, неоткрытых частиц, скрывающихся в вакууме. Вот почему физики вздрогнули, когда в апреле 2022 года команда CDF сообщила, что масса W отличается от предсказания стандартной модели на величину, в семь раз превышающую экспериментальную неопределенность.
Чтобы измерить массу нестабильной частицы, запущенной в мимолетное существование с помощью ускорителя, физики обычно отслеживают все другие частицы, на которые она распадается. Например, брат W, бозон Z, может распадаться на частицу, называемую мюоном, и ее антиматерию, обе легко отслеживаются. Из энергий и импульсов двух частиц физики могут вычислить массу Z. Таким образом, чтобы обнаружить Z, они ищут пары мюон-антимюон и взвешивают предполагаемые родительские Z по одной.
Этот метод не работает для W, который распадается на мюон и необнаруживаемое нейтрино. Поэтому физики CMS искали столкновения, которые производили высокоэнергетический мюон, и на протяжении многих событий измеряли импульсы и направления мюонов. Статистическое распределение этих переменных зависит от точной массы W. Члены команды использовали данные о 100 миллионах кандидатов W только во время запуска LHC в 2016 году и потратили 8 лет на совершенствование и проверку своего метода. Они также «ослепили» свой анализ, чтобы убедиться, что не смогут увидеть ответ до самого конца.
Исследователи CMS обнаружили, что масса W составляет 80 360,2 миллиона электрон-вольт, плюс-минус 9,9 МэВ. Это значение согласуется с предсказанием стандартной модели и с менее точными значениями от двух других детекторов на LHC, известных как LHC beauty и A Toroidal LHC Apparatus. Члены команды CMS признают, что испытывают чувство разочарования от результата. «Если бы мы подтвердили результат CDF, мы были бы более взволнованы», — говорит Элизабетта Манка, физик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, которая работала над анализом CMS.
Но почему результат CDF отличается от всех остальных? Вопрос не будет закрыт, пока на этот вопрос не будет дан ответ, говорит Ашутош Котвал, физик из Университета Дьюка, который руководил анализом CDF: «Истина где-то там».
Однако некоторые физики сомневаются, что это когда-либо будет найдено. «Когда эти вещи выясняются — а это не всегда так — они, как правило, выясняются кем-то в [противоречивом] эксперименте», — говорит Майкл Барнетт, физик из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли. «Людям со стороны действительно сложно понять детали каждой маленькой детали». И никто в команде CDF не работает с данными полный рабочий день, отмечает он.
Это реальная проблема, признает Тобэк, один из немногих, кто все еще работает с данными CDF в свободное время. «Если бы у нас было время и студент или постдок для ведущих авторов CDF, чтобы продолжить работу над этим, это было бы очень важно», — говорит он. «Финансирующие организации не заинтересованы в поддержке этого».
Однако эта аномалия может заслуживать особого внимания, говорит Шелтон. Начиная с 2026 года LHC будет закрыт на 3 года для модернизации, чтобы увеличить интенсивность своих пучков в 10 раз. Затем экспериментаторы сосредоточатся на точных измерениях, которые могут намекнуть на новую физику. Если аномалия CDF останется необъясненной, это поставит под сомнение надежность таких анализов, говорит Шелтон. «Отслеживание расхождения действительно важно и будет ключевой частью того, чтобы убедиться, что мы можем заниматься точной наукой открытия, которую делает LHC», — говорит она.
Котвал говорит, что он оптимистично настроен, что финансирующие агентства могут увидеть ценность в решении этой проблемы. «Я считаю, что предложение должно быть сделано», — говорит он. «И кто рассматривает эти предложения? Это наши коллеги-ученые, это сообщество».
